Fisika Bangunan : Faktor Pengaruh Kontrol Termal

Pembahasan Fisika Bangunan menjadi sangat penting ketka kita akan melakukan proses perancangan bangunan. Sifa-sifat fisik dari material penyusun, sifat susunan dan jenis susunan akan memberikan kekuatan yang berbeda pada setiap hasil bangunannya. Beberapa faktor fisika yang berkaitan dengan bangunan antara lain adalah kontrol terhadap termal ,akustik, pencahayaan.

FAKTOR PENGARUH KONTROL TERMAL

Beberapa faktor berpengaruh terhadap proses pengendalian termal pada bangunan antara lain sebagai berikut.

1. Sinar Matahari yang diterima sangat tergantung dengan 

a. Intensitas dan jenis sinar matahari yang datang di permukaan obyek

b. posisi atau letak obyek bangunan diatas permukaan bumi

2. Hujan

Hujan adalah peristiwa jatuhnya air dari awan ke permukaan bumi.

a. Curah hujan. Curah hujan merupakan jumlah air yang jatuh di permukaan tanah datar selama periode tertentu yang diukur dengan satuan tinggi (mm) di atas permukaan horizontal bila tidak terjadi evaporasi, runoff dan infiltrasi. ). Jadi, jumlah curah hujan yangdiukur, sebenarnya adalah tebalnya atau tingginya permukaan air hujan yangmenutupi suatu daerah luasan di permukaan bumi/tanah. Satuan curah hujan yangumumnya dipakai oleh BMKG adalah milimeter (mm). Curah hujan 1 (satu)milimeter, artinya dalam luasan satu meter persegi pada tempat yang datartertampung air setinggi 1 (satu) milimeter atau tertampung air sebanyak 1 (satu) literatau 1000 ml. 

b. Akibat fisikalis, akibat fisika dari hujan antara lain adalah angin kencang, halilintar, banjir, longsor, pohon tumbang,dll.

c. akibat kimia, terjadi proses kimiawi yaitu korosif pada besi dan baja. 

d. akibat biologis, terjadinya proses pembusukan atau perusakan bahan bangunan 

e. perembesan air dalam dinding, terjadi proses kapilerisasi yaitu perambatan air melalui pori pori kecil yang ada didinding.

3. Angin

Angin adalah udara yang bergerak akibat rotasi bumi dan perbedaan tekanan udara di sekitarnya. Angin bergerak dari tempat bertekanan udara tinggi ke bertekanan udara rendah.

Jenis-jenis angin

Beberapa jenis angin yang kita ketahui antara lain angin darat/laut, angin lembah/gunung, angin Fohn (angin Jatuh), angin Muson barat/timur.

Beberapa Sifat angin

Beberapa sifat angin antara lain adalah, menyebabkan tekanan permukaan yang menentang arah angin tersebut, mempercepat proses pendinginan, kecepatan angin sangat fluktuatif setiap saat yang ditentukan oleh perbedaan tekanan udara antara dua tempat dan resistensinya.

Pengendalian angin

Angin dapat dikendalikan arah dan kecepatannya dengan menggunakan beberapa teknik. Meskipun begitu proses pengendalaian ini tidak sepenuhnya dapat konsisten dilakukan karena sifat fluida udara yang memang tidak mudah dikendalikan. Namun pendekatan terhadap pengendalian mungkin sangat berguna untuk mengatur perencanaan sebuah bangunan.

Faktor-faktor yang menyebabkan terjadinya angin 

Gradien Barometris, yaitu bilangan yang menunjukkan perbedaan tekanan udara dari dua isobar yang jaraknya 111 km. Makin besar gradien barometrisnya, makin cepat tiupan anginnya.

Lokasi, kecepatan angin di dekat khatulistiwa lebih cepat daripada angin yang jauh dari garis khatulistiwa.

Tinggi Lokasi, semakin tinggi lokasinya semakin kencang pula angin yang bertiup. Hal ini disebabkan oleh pengaruh gaya gesekan yang menhambat laju udara. Di permukaan bumi, gunung, pohon, dan topografi yang tidak rata lainnya memberikan gaya gesekan yang besar. Semakin tinggi suatu tempa, gaya gesekan ini semakin kecil.

Waktu, Angin bergerak lebih cepat pada siang hari, dan sebaliknya terjadi pada malam hari.

TEMPERATUR DAN KELEMBABAN

Suhu udara adalah keadaan panas atau dinginnya udara. Alat untuk mengukur suhu udara atau derajat panas disebut thermometer. Biasanya pengukur dinyatakan dalam skala Celcius (C), Reamur (R), dan Fahrenheit (F). Suhu udara tertinggi dimuka bumi adalah didaerah tropis (sekitar ekuator) dan makin ke kutub semakin dingin. Di lain pihak, pada waktu kita mendaki gunung, suhu udara terasa terasa dingin jika ketinggian semakin bertambah. Kita sudah mengetahui bahwa tiap kenaikan bertambah 100 meter maka suhu akan berkurang (turun) rata-rata 0,6 ˚C. Penurunan suhu semacam ini disebut gradient temperatur vertikal atau lapse rate. Pada udara kering, lapse rate adalah 1 ˚C (Benyamin, 1997)

Suhu dipermukaan bumi makin rendah dengan bertambahnya lintang seperti halnya penurunan suhu menurut ketinggian. Bedanya, pada penyeberan suhu secara vertikal permukaan bumi merupakan sumber pemanas sehingga semakin tinggi tempat maka semakin rendah suhunya. Rata-rata penurunan suhu udara menurut ketinggian contohnya di Indonesia sekitar 5 ˚C – 6 ˚C tiap kenaikan 1000 meter. Karena kapasitas panas udara sangat rendah, suhu udara sangat pekat pada perubahan energi dipermukaan bumi. Diantara udara, tanah dan air, udara merupakan konduktor terburuk, sedangkan tanah merupakan konduktor terbaik (Handoko, 1994)

Kelembaban udara adalah tingkat kebasahan udara karena dalam udara air selalu terkandung dalam bentuk uap air. Kandungan uap air dalam udara hangat lebih banyak daripada kandungan uap air dalam udara dingin. Kalau udara banyak mengandung uap air didinginkan maka suhunya turun dan udara tidak dapat menahan lagi uap air sebanyak itu. Uap air berubah menjadi titik-titik air. Udara yan mengandung uap air sebanyak yang dapat dikandungnya disebut udara jenuh.

Macam-macam kelembaban udara sebagai berikut :

1) Kelembaban relatif / Nisbi yaitu perbandingan jumlah uap air di udara dengan yang terkandung di udara pada suhu yang sama. Misalnya pada suhu 270C, udara tiap-tiap 1 m3maksimal dapat memuat 25 gram uap air pada suhu yang sama ada 20 gram uap air,maka lembab udara pada waktu itu sama dengan

20 x 100 % = 80 %

2) Kelembaban absolut / mutlak yaitu banyaknya uap air dalam gram pada 1 m3.

Contoh : 1 m3 udara suhunya 250 C terdapat 15 gram uap air maka kelembaban mutlak = 15 gram. Jika dalam suhu yang sama , 1 m3 udara maksimum mengandung 18 gram uap air, maka

Kelembaban relatifnya = 15/18 X 100 % = 83,33 %.

Penghawaan Alami Dengan Ventilasi dan tentang Insulasi Panas

Pergantian udara panas dengan udara dingin dari luar merupakan proses yang diharapkan pada waktu musim panas. Namun dibeberapa kondisi iklim hal tersebut tidak memungkinkan karena temperatur luar justru lebih panas daripada temperatur dalam bangunan. Hal tersebut sangat penting diperhatikan jika akan melakukan teknik penghawaan alami. Sebab dibutuhkan udara dengan temperatur yang lebih rendah untuk efektifitas pendinginan permukaan tubuh.

Proses penghawaan alami membutuhkan pendorong terjadinya proses tersebut. Bentuk bangunan menentukan kekuatan terjadinya penghawaan alami.Secara mendasar, ukuran dan lokasi dari tempat masuknya udara ke dalam bangunan menentukan kemampuan untuk menangkap dan mengarahkan aliran udara kedalam bangunan. Perancangan bangunan dapat menggunakan ventilasi, atrium, bentuk bangunan ramping , lingkungan denah terbuka, struktur bangunan massif, cerobong, sirip, dan dinding ganda. Pada hybrid system digunakan jendela yang dapat dikontrol secara motorik.

Proses aliran udara dapat didorong dengan beberapa kondisi antara lain adalah mengarahkan aliran udara, pemanasan dan pendinginan yang dilakukan oleh radiasi matahari evaporasi atau thermal mass. Prinsipnya dengan melakukan variasi terhadap tekanan udara (wind driven ventilation) dan temperatur (stack.effect ventilation dan thermo syphon effect).

Pendinginan udara sebelum masuk kedalam bangunan juga dapat dilakukan untuk mendapatkan udara dingin. Hal tersebut dapat dicapai dengan melakukan evaporative cooling atau geothermal cooling. 

Bangunan dengan tingkat ekspos thermal mass yang besar, sangat memungkinkan untuk melakukan pendinginan dengan strategi natural ventilation dengan teknik pendinginan waktu malam hari (night purge ventilation).Teknik tersebut dapat dilakukan dengan rentang relatif diurnal dimana temperatur malam hari mempunyai selisih 20-22 derajat Celcius.

Insulasi Termal (Thermal Insulation)

Insulasi adalah penggunaan material dengan nilai konduktan rendah untuk mengurangi aliran energi melintas material tersebut. Untuk mereduksi aliran energi tersebut material harus mempunyai nilai resistan yang tinggi (nilainya kebalikan dari konduktan).

Secara umum udara merupakan insulator yang bagus untuk menghambat panas, dengansyarat proses konveksi dapat ditekan. Sebagian besar material mempunyai sifat insulasi namun terdapat tiga bagian besar tipe insulation, yaitu :

- Resistive insulation, merupakan menghambat aliran panas dengan mengandalkan nilai resistan pada proses konduksi.

- Reflective insulation, adalah mereduksi aliran radiasi panas.kemampuan material untuk menyerap atau meradiasikan kembali infra-red sangat tergantung dari bentuk dan warnanya. Penyerap paling bagus adalah material dengan warna hitam dan sebaliknya warna putih merupakan paling bagus sifat reflektifnya.

- Capasitive insulation, mempunyai karakteristik yang bermanfaat banyak jika fluktuasi temperatur diantara dua permukaan sangat besar. Sehingga insulasi jenis ini tidak bekerja dalam kondisi steady-state. Metode ini memanfaatkan penundaan aliran panas yang tersimpan dalam material bangunan tersebut (time-lag). Sehingga dapat memindahkan kondisi puncak aliran panas pada waktu yang dibutuhkan.

Meskipun insulasi dapat dibuat dengan menggabungkan beberapa jenis materisl bangunan, namun secara fisik dapat dibagi menjadi 5 jenis, yaitu : blankets, blown-in, loose-fill, rigid foam board, reflective films. (Mars dalam http://squ1.org/wiki/material)

Perancangan Pasif(Passive Design)

Perancangan kenyamanan termal secara pasif didasarkan pada beberapa prinsip antara lain adalah :

- Orientasi, area lokasi terhadap equator, arah utara untuk wilayah dibagian selatan equator dan arah selatan untuk wilayah dibagian utara equator. Hal tersebut menyangkut sinar matahari yang masuk ke bangunan ketika dibutuhkan dan menghindarinya ketika tidak dibutuhkan.

- Glazing, digunakan untuk menangkap panas jika dibutuhkan di dalam ruangan atau pembayangan (shading) dan penghalang sinar matahari untuk menahan panas matahari.

- Thermal Mass, untuk menyimpan panas jika dibutuhkan atau sebagai heat sink jika untuk pendinginan. 

- Insulasi, untuk mereduksi kehilangan panas atau panas yang masuk melalui atap, dinding, pintu, jendela dan lantai.

- Ventilasi, untuk memasukkan udara segar dan pendinginan melalui angin.

- Zoning, untuk merencanakan susunan ruang dalam sesuai dengan area pemanasan alami yang terjadi dengan kebutuhan ruangan.

Site Planning : Building Location and Siting

Pada waktu lalu lokasi dan tempat sebuah bangunan sangat ditentukan oleh faktor ekonomi, kelayakan dan harga dari tanah tersebut dan jika pada area pinggiran kota aksesibilitas dan daya dukung inrastruktur. Sangat jarang mempertimbangkan masalah “shelter” atau keterlindungan sebuah lokasi.

Saat sekarang mungkin seiring dengan berkembangnya teknologi perpipaan dan jaringan kabel serta transportasi, hal tersebut tidak terlalu masalah. Permasalahan tentang iklim mikro menjadi penting agar konsumdi energi untuk pemanasan ataupun pendinginan jadi lebih murah. Persoalan energi menjadi isu yang sangat penting dalam pertimbangan desain. Seringkali keperluan aspek “shelter” bertolak belakang dengan kebutuhan akan keinginan akan kelayakan pemandangan yang bagus atau berseberangan dengan perencanaan kota.

Kebutuhan akan rancangan yang mempunyai karakteristik berkelanjutan mempersyaratkan implikasi terhadap masalah transportasi pada lokasi. Dan isu tersebut mengangkat masalah desain arsitektur bioklimatik yang sangat sensitif dengan urursan “Physical Characteristics” dari sebuah site; mengenai arah angin dan sinar matahari, kelayakan dari “shelter” (keterlindungan) atau permukaan lahan.

Objectives (sasaran) :

• Menempatkan bangunan untuk mendapatkan manfaat dari kondisi iklim mikro.

• Pertimbangkan terhadap insolasi dan shelter ketika pemanasan ruang dibutuhkan

• Pertimbangkan terhadap aliran udara segar, untuk pendinginan.

Kriteria lainnya secara umum akan direspon ketika mengerjakan perancangan bangunan. Hal tersebut termasuk masalah view (pemandangan), jenis dari langit, dan elemen kultural dari lingkungannya.

INSOLATION (INSOLASI) 

Dengan menggunakan skala tertentu atau model atau pola pembayangan pada lahan, kita dapat menganalisa pembayangan sinar matahari terhadap lahan perancangan. Pembayangan dapat diakibatkan adanya topografi lahan, kondisi eksisting dan bangunan serta vegetasi.

Penataan bangunan dan vegetasi menjadi faktor yang menentukan dalam mengatur akses sinar matahari untuk mendapatkan panas. Dengan menempatkan bangunan yang lebih tinggi berada pada deretan belakan bangunan lebih rendah maka akan memperbesar peluang untuk mendapatkan pemanasan terhadap bangunan. 

WIND (ALIRAN ANGIN)

Pertimbangan terhadap aspek ini adalah untuk mendapatkan pembayangan pada situasi panas dan untuk mendapatkan ventilasi uadara segar pada saat pendinginan.

Pada kondisi panas, aliran angin dingin akan meningkatkan proses heat loss sehingga lingkungan jadi lebih terasa dingin. Aliran angin tersebut akan bekerja untuk mendinginkan beberapa permukaan elemen bangunan(dinding, atap, dll) dan juga meningkatkan infiltrasi melalui bukaan bangunan. Tanaman sebagai pelindung (shelter) mempunyai fungsi untuk pembayangan terhadap bangunan. Namun hal tersebut dapat menjadi masalah untuk proses aliran angin menuju bangunan. Terlalu banyak dan padat tanaman yang melindungi bangunan juga akan mengurarngi infiltrasi menuju bangunan. Di negara-negara Eropa penempatan tanaman mempunyai aturan tertentu agar terjaga dari aspek lingkungan dan kepentingan untuk kesehatan bangunan tersebut. Desain juga harus mempertimbangkan terhadap arah datang aliran angin beserta jarak antar bangunan dan tanaman sendiri.

Pada kondisi pendinginan, sangat penting untuk mengatur arah lairan angin dengan menggunakan susunan tanaman yang terdapat disekitarnya dan juga melalui topografi atau permukaan tanah.

COOLING (PENDINGINAN)

Kebutuhan terhadap proses pendinginan pada bagian belahan Utara dan Selatan berbeda. Di negara Eropa khususnya, bagian utara rata-rata tak terlalu banyak membuthkan penganan yang spesifik terhadap masalah pendinginan. Namun pada bagian Selatan menuntut penggunaan bahan yang ringan, termal inersia bangunan rendah, penggunaaan vegetasi, topografi, natural ventilasi, reduksi terhadap insolasi pada saat kondisi dingin.

Di bagian Selatan orientasi Barat dihindari. Sangat sulit untuk membuat pembayangan sebab altitude rendah saatsore hari dan temperatur yang sangat tinggi pada siang hari.

Tentang Iklim Tropis Lembab dan Tropis Hangat Lembab

I K L I M T R O P I S L E M B A B

Rata-rata temperatur pada bulan dingin lebih besar atau sama dengan 18 derajat Celcius. Tropikal basah merupakan iklim yang berada pada posisi latitude dari equator berjarak 15 sampai 25 derajat. Dalam iklim ini semua bulan mempunyai rata-rata temperatur lebih besar dari 18 derajat Celcius. Rata-rata presipitasi lebih dari 1500 mm. Pada iklim ini menurut klasifikasi Koppen mempunyai 3 kategori (dalam grup A) dan pembagiannya didasarkan pada distribusi dari curah hujan.

Lokasi iklim ini terutama ditemukan pada wilayah Afrika tengah, Asia Tenggara dan Amerika tengah.

Karakteristik secara umum panas, kelembaban tinggi disebabkan adanya angin dari arah utara dan selatan hemisphere mengumpul dan naik pada pertemuan permukaan tropis, menyebar kemudian dingin pada saat bersamaan. Karakteristik antara lain :

kelembaban dan curah hujan tinggi sepanjang tahun

temperatur tinggi sepanjang tahun

temperatur diurnal bervariasi sekitar 8 der Cel.

Sedikit variasi dalam temperatur

Lahan datar dan angin laut mempunyai peranan utama wilayah pantai

Intensitas radiasi matahari bervariatif dengan kondisi berawan

Prinsip-Prinsip Desain

Tujuan dari perancangan bangunan pada iklim tropis lembab ini adalah mereduksi temperatur panas, memaksimalkan rata-rata ventilasi udara untuk meningkatkan efektifitas dari evaporasi, dan mengusahakan proteksi terhadap sinar matahari, hujan dan serangga. Prinsip-prinsip tersebut antara lain adalah :

Gunakan pintu dan jendela yang besar untuk menjalankan ventilasi silang.

Perencanaan secara terbuka dan luas, usahakan terdapat jarak antar bangunan

Angkat bangunan (panggung) aga lantai dingin dan menaikkan jendela untuk ventilasi yang lebih baik.

Orientasi bangunan diusahakan memperhitungkan aliran datangnya udara segar

Overhang yang panjang untuk melindungi dari sinar matahari langsung

Gunakan sliding screen untuk melindungi dari badai dan serangga di malam hari.

Gunakan material dengan thermal mass rendah untuk meminimalkan heat storage.

Gunakan double roofs dengan 2 layer dan ventilasi.

Gunakan material atap dengan insulasi tinggi.

IKLIM TROPIS HANGAT LEMBAB

Iklim ni adalah paling sulit di toleransi. Maksimum temperaturnya tidak setinggi pada iklim panas kering (hot arid) namun pada malam hari panas masih tersisa dan berpotensi meningkatkan temperatur diatas zona nyaman. Variasi temperatur diurnal randah, seringkali kurang dari 5 der Cel., khususnya pada musim hujan. Kelembaban sangat tinggi, sehingga penguapan pada permukaan kulit terbatas. Pendinginan secara evaporasi (penguapan) tidak terlalu efektif. Strategi perancangan yang dianjurkan antara lain :

Pastikan temperatur dalam ruangan tidak meningkat diatas temperatur diluar bangunan.

Sediakan cukup ventilasi yang cukup untuk mengeluarkan panas dalam bangunan

Usahakan temperatur dalam ruangan serendah mungkin

Gunakan reflective roof

Gunakan plafon untuk memisahkan bagian atap dengan ruangan

Buatlah ventilasi pada ruang atap

Gunakan material atap dengan emisivitas rendah

Palfon dengan derajat insulasi tinggi

Bangunan sebaiknya berstruktur ringan agar terjadi pendinginan yang cepat pada malam hari

Kurangi arah hadap Timur dan Barat atau jika terpaksa gunakan jendela yang menerima sinar matahari rendah dan dinding pada arah ini sebaiknya reflektif dan insulatif.

Dinding arah Utara dan Selatan sebaiknya mempunyai bukaan yang besar untuk ventilasi. Perancangan ruang sebaiknya mempertimbangkan ruang penerima panas rangkap dan disusun agar mendapatkan ventilasi silang dalam ruangan.

Bukaan sebaiknya dipreoteksi terhadap sinar matahari langsung, hujan dan serangga.

Jarak antar bangunan diusahakan agar mendorong terjadinya aliran udara segar. Orientasi bangunan sebainya mempertimbangkan pendinginan dengan aliran angin.

Konflik antara arah datang sinar matahari dan orientasi udara segar sebaiknya diselesaikan dengan mengontrol sinar matahari. Dengan melakukan modifikasi antara bangunan dan lansekap diusahakan untuk mengubah arah aliran angin yang kurang sesuai agar memungkinkan untuk pendinginan dalam ruangan.

Dalam bangunan tunggal yang bebas menaikkan elevasi bangunan dapat membantu pendinginan pada bangunan.

STRATEGI PERANCANGAN IKLIM TROPIS LEMBAB

Iklim mempunyai dampak yang kuat terhadap pembentukan sebuah rancangan bangunan. Iklim sebuah wilayah akan mempengaruhi respon dalam membentuk kenyamanan beraktifitas pengguna. Respon rancangan dari masing-masing iklim membentuk tipologi bentuk yang secara umum dikenal dengan arsitektur lokal.

Karakteristik iklim tropis lembab mempunyai derajat kelembaban dan curah hujan yang tinggi. Dampak dari kondisi tersebut adalah banyak terdapat bukaan dan naungan berupa sosoran. Sepanjang tahun mempunyai temperatur rata-rata yang tinggi, sehingga memepengaruhi bangunan mempunyai bukaan yang mempertimbangkan aliran udara. Kondisi tersebut berhubungan dengan diurnal yang rendah sekitar 8 derajat Celsius, akibat variasi temperatur yang rendah. Radiasi matahari bervariasi dengan kondisi sering berawan.

Tujuan dari perancangan di daerah tropis lembab adalah mereduksi temperatur internal, memaksimalkan ventilasi untuk efektifitas evaporasi, proteksi terhadap sinar matahari, hujan dan serangga. Beberapa strategi yang dapat dikembangkan dalam iklim tropis lembab antara lain :

- Temperatur dalam ruangan diusahakan tidak lebih tinggi dari temperatur luar. Potensi terbesar adalah dengan memaksimalkan shading.

- Memperbesar volume ventilasi untuk menghilangkan panas dalam ruangan

- Menjaga Mean Radiant Temperature serendah mungkin dengan reflective roof, separate ceiling, ventilated attic, low emissive roof material, reflective foil above ceiling, insulated ceiling.

- Bangunan diusahakan mempunyai bahan lightweight untuk mempercepat pendinginan dimalam hari.

- Elevasi timur dan barat dihindari sebesar mungkin. Dinding bersifat reflektif dan mempunyai insulasi yang baik.

- Orientasi utara dan Selatan diusahakan mempunyai bukaan besar untuk ventilasi. Ruangan didalam bangunan diusahakan agar mendorong terjadinya cross-ventilation.

- Bukaan dibuat untuk proteksi terhadap matahari, hujan, serangga.

- Terdapat ruang-ruang yang dapat mengoptimalkan masuknya udara segar. Orientasi bangunan sebaiknya mempertimbangkan adanya aliran udara dingin yang masuk bangunan.

- Konflik antara orientasi yang mempertimbangkan radiasi marahari dan aliran udara sebaiknya diselesaikan dengan melakukan kontrol terhadap radiasi matahari, dengan membuat rancangan yang memodifikasi antara aspek bangunan dan lansekap untuk mengarahkan aliran udara segar.

- Untuk bangunan tunggal sebaiknya lebih banyak mempertimbangkan aliran udara segar.

Bentuk dan Orientasi dalam Perancangan Bangunan

Bentuk bangunan mempunyai potensi dalam mengendalikan penerimaan panas terhadap permukaan selubung bangunan. Secara teori dengan meminimalkan permukaan yang berhadapan dengan jatuhnya radiasi langsung maka proses hantaran panas yang terjadi secara kuantitas juga menurun.

Secara khusus beberapa sumber ilmiah membahas secara analisis mengenai fenomena tersebut. Markus & Morris (1980) mengungkap masalah fenomena Thermal Cube dalam proses optimasi fabric heat loss pada bangunan iklim dingin. Tujuan dari optimasi bentuk bangunan adalah meminimumkan fabric heat loss. (Morris&Markus, 1980). Dengan analiasis terhadap Fabric loss per degree , dengan asumsi bahwa semua dinding mempunyai U-value yang sama, bangunan tersebut mempunyai denah kotak dan perbedaan pada masing-masing permukaan adalah sama, maka dalam perhitungan menunjukkan bahwa bentuk bentuk “cube” mempunyai rasio ‘surface/volume’ yang paling kecil (Morris&Markus, 1980).

Dalam menerima radiasi, bangunan mempunyai 3 (tiga ) elemen pokok yaitu dinding, jendela, dan atap. Bidang-bidang yang menerima radiasi dalam suatu bentuk bangunan ada 5 (lima) bagian( 4 merupakan bagian dinding dan 1 bagian atap). Bagian-bagian tersebut yang mempengaruhi dan menyebabkan rasio minimum dari surface/volume.

Rekomendasi Bentuk dan Orientasi sesuai Wilayah Musim

1. Daerah Dingin 

• Mengurangi area permukaan bangunan akan mengurangi eksposur terhadap suhu rendah. 

• Memaksimalkan serapan radiasi matahari. 

• Mengurangi kehilangan panas melalui radiasi konduksi dan penguapan. 

• Menyediakan pelindung angin 

2. Daerah Temperatur Sedang 

• Perpanjangan bentuk bangunan dalam arah timur-barat dan memaksimalkan bidang selatan. 

• Meminimumkan eksposur bidang timur dan barat, yang biasanya lebih hangat di musim panas dan lebih dingin dimusim dingin daripada bidang selatan. 

• Menyeimbangkan pemanasan matahari dengan bayangan peneduh pada setiap musim. 

• Memberi pergerakan udara ketika cuaca panas, perlindungan terhadap angin ketika cuaca dingin. 

3. Daerah Panas-kering 

• Bangunan harus membentuk halaman dalam. 

• Mengurangi pemanasan matahari akibat konduksi. 

• Mengupayakan pendinginan melalui fitur kolam air dan tumbuh-tumbuhan. 

• Sebaiknya memasang kisi peneduh matahari pada jendela dan ruang outdoor. 

4. Daerah Panas-lembab 

• Bentuk bangunan memanjang arah timur-barat dengan bidang timur dan barat sekecil mungkin. 

• Mengurangi pemanasan matahari. 

• Memanfaatkan angin agar terjadi pendinginan karena penguapan. 

• Sebaiknyamemasangkisipeneduhmataharipadajendeladanruang outdoor

Iklim sebagai faktor utama dalam Perancangan Arsitektur

Pendekatan perancangan mempunyai beberapa cara untuk menghasilkan sebuah rancangan yang baik. Iklim sebagai faktor yang ditentukan oleh alam menjadi aspek yang harus diikuti dan diselesaikan jika menjadi sebuah gangguan terhadap tujuan kenyamanan hunian.

Sedangkan aspek iklim yang mendukung dan membantu dapat dimanfaatkan menjadi pendukung kenyamanan bangunan. Aspek iklim harus dikendalikan agar kita dapat melakukan pengaturan penggunaan energi.

Beberapa aspek perancangan yang mempertimbangkan iklim sebagai dasarnya, antara lain sebagai berikut.

1. Kecepatan dan Arah Angin

Angin di beberapa tempat menjadi faktor penting dalam proses perancangan. Angin dapat membantu mempercepat penguapan pada kondisi kelembaban yang tinggi. Angin juga dapat membantu pendinginan dengan mengalirkan udara dingin sehingga terjadi keseimbangan temperatur yang diinginkan.

2. Keterlindungan

Keterlindungan di daerah tropis menjadi hal penting untuk dilakukan. Dengan teknik keterlindungan maka ruangan tidak akan terkena sinar matahari langsung namun masih bisa menikmati terang langit yang menyebar. Terang langit membantu pencayaan ruangan sehingga ruang tersebut tidak perlu pecahayaan buatan.

3. Ruang Luar

Untuk menciptakan ruangan atau bangunan yang suhunya seperti yang diinginkan serta mengontrol penggunaan energi , maka lingkungan ruang luar akan menjadi alternatif bantuan untuk pengkondisian bangunan atau ruang tersebut. Ruang luar selain menjadi faktor pendukung juga merupakan bagian yang menjadi pembading dengan ruang dalam bangunan.

4. Penerangan

Penerangan atau pencahayaan ruang membutuhkan energi ketika sedang beroperasional. Dalam perancangan bangunan yang hemat energi selalu dibutuhkan dukungan secara sistematis untuk mengendalikan pencahayaan ini. Ketika siang hari sebaiknya memanfaatkan energi terang matahari untuk dalam bangunan. Ketika matahari masuk kedalam ruangan atau bangunan maka yang terjadi adalah panas matahari dan cahaya matahari secara bersamaan secara akumulatif diterima secara terus menerus ke dalam ruangan. Untuk daerah tropis panas matahari berupa sinar ultra violet tidak terlalu dibutuhkan tapi hanya terang cahaya saja yang banyak dibutuhkan. Oleh karena itu diperlukan teknik atau cara untuk mengatur kondisi tersebut. Para arsitek ditantang untuk menghadirkan sebuah rancangan bangunan yang dapat memenuhi kondisi seperti itu.

5. Pemanasan

Pemanasan akibat sinar ultraviolet untuk daerah tropis mungkin menjadi masalah yang harus diselesaikan oleh para perancang bangunan. Daerah tropis mempunyai karakter kaya akan sinar matahari. Namun demikian tidak semua jumlah sinar matahari yang datang dibutuhkan semuanya. Intensitas sinar matahari yang datang harus diatur sesuai dengan kebutuhan dari manusia. Bangunan dalam kasus ini akan berfungsi sebagai pengendali jumlah sinar sekaligus tempat untuk berlindung dari panas yang berlebihan. Berkbalikan dengan daerah tropis, maka daerah dengan iklim dingin sangat membutuhkan panas matahari. Hal tersebut menunjukkan bahwa perancangan bangunan menjadi penentu jumlah atau kapasitas panas yang diterima kedalam ruangan. Rancangan material , jumlah bukaan, bentuk permukaan, orientasi terhadap sinar matahari langsung, semuanya akan memberikan dampak terhadap jumlah panas yang akan diteima bangunan. Pemanasan ruang lebih banyak dibutuhkan untuk bangunan dengan iklim subtropik atau dingin.

6. Pendinginan

Pendinginan dalama prosesnya banyak dibutuhkan untuk bangunan didaerah tropis. Proses pendinginan dapat dilakukan secara pasif maupun aktif. Untuk proses pendinginan secara pasif wajib dilakukan untuk bangunan tropis. Pendinginan dapat dilakukan dengan cara memperbesar volume ruangan secara vertkal, menghalangi sinar matahari langsung masuk ruangan atau mengenai bangunan, memberikan vegetasi sebagai pendingin lingkungan sekaligus memberikan suplai oksigen, melakukan kontrol terhadap aliran udara melalui ventilasi, pendinginan melalui permukaan tanah.

7. Ventilasi

Ventilasi adalah bukaan pada bangunan yang umumnya berfungsi sebagai tempat untuk mengalirkan udara segar. Sesuai fungsinya maka ventilasi harus dirancang dengan konfigurasi tertentu agar terjadi angin atau aliran udara. Terutama jika terdapat aliran udara dingin yang dapat membantu penurunan temperatur ruangan. Penempatan ventilasi akan menentukan kualitas fungsinya sebagai aliran udara segar dalam ruangan.

Pengendalian Radiasi Matahari (Solar Radiation Control) dan Konsep Perpindahan Panas

Pengaturan sinar matahari yang masuk kedalam bangunan merupakan langkah utama yang harus dilakukan dalam proses pendinginan secara pasif. Modulasi sinar matahari dalam proses pengaturan ini dapat dicapai dengan memperhatikan (Santamouris dkk,1996) aspek berikut ini.

Orientasi dan Bentuk bukaan (Orientation dan aperture geometry)

Orientasi dan bukaan jendela merupakan aspek yang selalu berkaitan erat dalam mengendalikan radiasi matahari yang masuk bangunan. Bangunan dengan kebutuhan sinar matahari untuk menghangatkan ruangan membutuhkan bukaan dan arah orientasi menuju sinar matahari. Sebaliknya bangunan dengan tingkat kebutuhan radiasi panas yang rendah membutuhkan bukaan dan arah orientasi yang menghindari bertatapan langsung dengan sinar matahari. Dengan mengatur bentuk dan arah orientasi radiasi langsung matahari dapat diatur sesuai dengan posisi lokasi dari equator.

Secara umum tentang teori bukaan dalam konteks penerangan terhadap ruangan terdapat 3 jenis yaitu Sidelighting, toplighting, atrium. Dalam kontek radiasi matahari sidelighting mempunyai peluang lebih banyak mendapatkan radiasi matahari yang membawa panas bersama sinar UV.
Untuk panas akibat sinar matahari langsung sebaiknya dihindari untuk daerah tropis, karena akan mengakibatkan pemansan ruang. Ruangan lebih memerlukan cahaya alami tanpa radiasi panasnya untuk menerangi ruangan saat siang hari.

Perangkat Pembayangan (Shading devices)

Penggunaan elemen pembayangan merupakan langkah lanjutan yang dapat ditempuh setelah mengendalikan orientasi dan bukaan. Jika orientasi dan bukaan tak dapat ditoleransi dikarenakan kebutuhan perancangan, maka elemen pembayangan menjadi sangat penting. Elemen pembayangan dapat dirancang sesuai dengan posisi dan arah kedatangan radiasi matahari sehingga bukaan dapat terlindung dari radiasi sinar langsung.Terdapat 2 klasifikasi elemen pembayangan (Santamouris dkk, 1996), yaitu :

- Elemen pembayangan permanen (fixed shading elements), disini termasuk dalam posisi eksternal antara lain dalam bentuk overhang, vertical fins, kombinasi horizontal dan vertikal (egg-crate type), balkon. Jika dalam posisi internal antara lain dalam bentuk light-shelves dan louvre di atas jendela.

- Elemen yang dapat diatur (adjustable /retracable shading elements), yang termasuk elemen eksternal adalah tenda, awning, blinds, pergola, dan yang internal seperti curtains, rollers, venetian blinds.

Operasional dari elemen-elemen tersebut sangat tergantung dari kebutuhan ruangan tersebut. Faktor diluar bangunan yang juga dapat berfungsi sebagai elemen pembayangan adalah vegetasi disekitar bangunan. Vegetasi yang berada dekat dengan jendela dapat memberikan efek pembayangan dan mengakibatkan berkurangnya radiasi langsung sinar matahari.

Elemen pembayangan ini menjadi bagian yang sangat menarik untuk dikembangkan dalam teknik rancangan. Varian dan kreasi dalam membuat perangkat pembayangan pada bangunan sangatlah terbuka luas. Hasil dari eksplorasi dalam membuat perangkat pembayangan ini akan memperkaya hasil rancangan kita.

Sifat Kepadatan dan Transparansi Permukaan Bahan (Property of opaque dan transparent surfaces)

Penetrasi radiasi matahari menuju bangunan melalui jendela juga ditentukan oleh kualitas solar optical dari material kaca tersebut. Bahan yang bersifat opaque dan transparan mempunyai sifat yang berbeda dalam meneruskan radiasi langsung sinar matahari. Dengan mengendalikan thermal property dari material kaca penetrasi dapat diatur jumlahnya. Sifat material transparan dikendalaikan melalui aspek reflectivity, solar transmittance, dan absorptance.

KONSEP PERPINDAHAN PANAS

Kondisi termal bangunan merupakan faktor–faktor yang merupakan karakteristik dari aspek-aspek susunan bangunan yang berhubungan dengan persoalan termal. Secara sistematik kondisi termal bangunan menyangkut pertama, segala sesuatu yang berhubungan dengan bagaimana proses keseimbangan termal tersebut berjalan dalam status kondisi tertentu. Selain hal tersebut proses penghantaran dan kelakuan panas yang terjadi juga merupakan persoalan-persoalan dasar yang harus dipahami secara menyeluruh.

Sistem termal (thermal system) dalam bangunan dapat dijelaskan bahwa selalu terjadi keseimbangan termal antara dalam bangunan dan luar bangunan. Untuk mencapai kondisi nyaman, maka kondisi termal dalam bangunan harus seimbang (Szokolay, 1980).

Qi + Qs ± Qv ± Qc ± Qm – Qe = 0

Dimana :

Qi :Internal Heat Gain Panas yang timbul dari dalam ruangan (dari tubuh manusia , artificial lighting, alat-alat elektronik)

Qs :Solar Heat Gain Panas yang masuk akibat radiasi matahari

Qc :Conduction Heat Panas akibat konveksi dan konduksi/ transmisi

Qv :Ventilation Heat Panas akibat aliran udara ventilasi

Qe :Evaporation Cooling Pendinginan evaporative

Qm :Mechanical Heating Untuk active control

Kemampuan bangunan dalam memberikan respon terhadap lingkungan termal terkait erat dengan performa elemen-elemen pembentuknya. Performa ini berupa desain bentuk, material, susunan ruang dan teknologi konstruksi, serta orientasinya. Menurut Evans (1980) keberhasilan bangunan dalam merespon lingkungan termal secara keseluruhan terkait dengan aspek-aspek pembentuk kinerja termal, yaitu antara lain desain atap, plafon, lantai, serta building envelopes (dinding luar/ exterior wall, jendela/ bukaan pencahayaan, ventilasi / bukaan udara).Pada prinsipnya, kenyamanan termal suatu bangunan dapat dicapai bila aliran panas (heat flow) dari ruang luar (outdoor environment) dan ruang dalam (indoor environment) atau sebaliknya dapat diminimalkan.Terdapat 4 (empat )cara terjadinya heat flow dalam bangunan, yaitu

(1) Conduction; melalui selubung bangunan dan partisi interior, 

(2) Convection; melalui infiltrasi udara lewat celah-celah atau bukaan pada selubung bangunan,

(3) Radiation; disebabkan oleh radiasi panas matahari yang masuk kedalam bangunan

Dalam bangunan didaerah tropis perpindahan panas ini sangat besar kemungkinan terjadi dari luar menuju kedalam bangunan. Hal tersebut sumber panas yang cukup besar sehingga aliran panas secara alami terjadi keseimbangan menuju kedalam bangunan.

Pengaruh Alam dan Lingkungan terhadap Bangunan

Alam dan lingkungan pada prinsipnya merupakan faktor yang sangat berpengaruh terhadap rancangan sebuah bangunan di lokasi tersebut. Faktor alam tersebut pada umumnya tidak dapat ditolak kondisinya namun harus diatasi dengan sebuah penyelesaian terhadap efeknya. Selain hal itu faktor alam juga dapat menjadi potensi yang dapat dimanfaatkan untuk energi alternatif. Jadi faktor alam mempunyai dua sisi yaitu dapat mengganggu dan lainya menjadi potensi yang dapat dimanfaatkan penunjang kenyamanan

Sebagai gambaran hujan dalam dalam kapasitas yang terlalu banyak memang akan mendatangkan bencana ketika tidak sesuai dengan daya tampung dipermukaan bumi. Namun pada sisi lain hujan juga dapat memberikan manfaat untuk memberikan dukungan terhadap tersedianya air tanah yang cukup, memberikan kesuburan pda vegetasi, membantu pembersihan obyek bangunan dari debu dan kotoran,dll.
Hujan
Ketika air hujan jatuh dipermukaan bumi maka air hujan akan mencari area yang lebih rendah.begitu juga ketika mencapai bangunan , air hujan akan mengalir mulai dari tempat yang paling tingi yaitu atap menuju tempat yang lebih rendah melalui talang air menuju saluran air di permukaan tanah. Sehingga ketika merancang bangunan sudah seharusnya untuk merencanakan sistem saluran air untuk mengatasi ketika terjadi hujan deras. Daerah tropis seperti di Indonesia mem[unyai tingkat curah hujan yang cukup tinggi sehingga bangunan didaerah tropis tidak lepas dari perancangan yang mempertimbangkan saluran pembuangan air hujan berdasarkan bidang-bidang permukaan penampung air hujan. Banyaknya sosoran juga menjadi respon rancangan bangunan didaerah tropis. Selain untuk menghidari sinar matahari langsung yang masuk jendela juga berfungsi sebagai penahan tampias ke dalam bangunan.
Sinar Matahari
Sinar matahari merupakan karunia alam semesta yang mempunyai potensi energi besar untuk dimanfaatkan sebagai energi alternatif. Sinar matahari langsung merupakan penyumbang terbesar dalam pemanasan temperatur bangunan. Semua permukaan bangunan merupakan media penghantar panas dari matahari. Bangunan memerlukan konsep merancang yang baik untuk menghasilkan kenyamanan didalam bangunan khususnya mengendalikan penghantaran panas kedalam bangunan. Panas yang berlebihan didalam bangunan akan mengakibatkan tingkat kenyamanan rendah.
Angin
Angin sebagai salah satu faktor alam juga mempunyai peranan untuk membantu pendinginan terhadap bangunan. Selain sebagai pendukung pendinginan bangunan, angin juga membantu penguapan jika terjadi kelembaban yang cukup tinggi khususnya didaerah tropis lembab. Disisi lain dapat menimbulkan kerusakan jika tidak ditangani secara baik. Tekanan dan hisapan yang terlalu ekstrem sebaiknya dihindari dalam merancang bangunan. Tekanan dan hisapan yang terlalu ekstrem akan merusak struktur konstruksi dari bangunan tersebut jika tidak mampu menahannya.
Udara yang bergerak ini, dalam kenyataanya terdapat beberapa jenis sesuai penyebab terjadinya gerakan udara ini. Angin gunung dan angin lembah umumnya terjadi di daerah pegunungan karena terjadi beda tekanan dan pemanasan permukaan. Angin laut dan darat terjadi karena perbedaan tekanan yang menyebabkan aliran udara dari arah laut maupun sebaliknya.